基于ARM和LPC2214的新型測量儀

　　目前，國內外使用的車輪定位儀主要采用接觸式的定位方式，由于其測量原理的局限性，其檢測操作過程十分復雜，無法實現快速檢測，使之難以在火車制造廠和火車檢測線中廣泛使用。針對這些不足，本文提出并設計了一種以ARM 芯片 LPC2214為核心的新型測量儀。

　　1 總體設計

　　1.1 性能要求

　　本設計的任務是設計一款手持式的火車車輪參數測量儀，用來檢測車輪的磨損程度，確定車輪的工作狀況，保證車輛的正常和安全運行。設計的基本原理是使用激光傳感器測量車輪相應的參數，將其傳給測量儀，實現數據的處理、存儲和顯示等。根據設計要求，需要測量的車型包括貨車、客車和動車3種，車輪型號有20種，并有以下具體的要求：

　　(1)在存儲和顯示測量數據時提供時間、地點編號、測量員編號等相關信息;

　　(2)測量范圍10 mm~100 mm,精度0.01 mm,并存儲一定數量的測量數據;

　　(3)良好的人機交互界面;

　　(4)體積小，重量輕，低功耗。

　　1.2 電路總體設計

　　根據性能指標，本設計采用NXP 公司的ARM芯片LPC2214作為核心處理器件，外圍器件包括實時時鐘PCF8563、FLASH存儲器SST25VF016B、RS232/485串口驅動芯片和電源芯片，以及液晶屏和小鍵盤等，如圖1所示。

　　LPC2214是一款性能優異的微處理器，其基于一種支持實時仿真和跟蹤的32 bit ARM7TDMI-STM CPU,帶有256 KB片內FLASH存儲器、2個UART串口、SPI接口、外部存儲器接口等，具有高達60 MHz的操作頻率，完全滿足設計需要[1,4].

　　本系統有5個外部傳感器，其中3個位移傳感器、2個激光傳感器，具體參數的獲取由這5個傳感器實現。在數據測量中，根據車型不同，可以簡要歸結為如下測量方式：(1)動車型的測量，獲取連在RS485線的3個位移傳感器值和激光傳感器4和激光傳感器5值;(2)普通客車和貨車的測量，先獲取連在RS485線的3個位移傳感器值和激光傳感器4值，再用繼電器閉合電磁線圈，延時2 s,讀取激光傳感器4值。

　　2 各部分軟硬件設計

　　2.1 實時時鐘設計

　　實時時鐘的縮寫是RTC(Real_Time Clock)。 RTC 是集成電路，通常稱為時鐘芯片。RTC通常為8PIN,有SOP8、MSOP8、TSSOP8等多種封裝。其中有6個I/O口的功能是一樣的，分為：晶體接口2PIN、MCU接口2PIN、主電源1PIN、地1PIN.這樣就剩下2個I/O的功能定義被區分開了。所以會有許多的RTC型號。例如荷電科技的H1208、H8563、H1302、H1307、H1381等等。大家看到后會發現許多RTC在I/O口的定位上有明顯的區別，所以PCB設計時需要多注意

　　實時時鐘的任務流程圖如圖2所示。

　　由于在保存測量數據時，需要同時保存測量時的時間，這樣便于日后檢查統計，而LPC2214內部自帶的實時時鐘是掉電易失的，故在設計中采用實時時鐘芯片PCF8563設計了外部時鐘電路。PCF8563是低功耗的CMOS 實時時鐘/日歷芯片，具有16個8 bit寄存器，采用I2C接口，通過SDA和SCL 2條線與LPC2214相連，使用非常簡便。在其電源端接了一個1 F的電容(也可改用紐扣電池)，在測量儀斷電時為PCF8563提供電壓，從而實現實時計時功能。

　　另外，其第10~12個寄存器(09H~0BH)為分鐘、小時和日報警寄存器，此處不用報警功能，而將其改為存儲測量次數，節省了外部存儲空間，也保證了數據的安全性。需要存儲的測量次數為16 bit,考慮到3個報警寄存器并非所有位數都是有效的，實際分配為09H取8 bit,0AH和0BH取后4 bit,這樣正好16 bit,滿足測量數據的存儲范圍。

　　2.2 外部存儲器設計

　　本測量儀是一種手持式設備，對體積要求比較嚴格。為減小電路板面積和簡化布線，外部存儲器采用只有8個管腳的小封裝SST25VF016B.SST25VF016B是一款16 Mbit(000000H~1FFFFFH,2 MB)SPI接口串行FLASH,其采用的CMOS SuperFlash工藝保證更低的功耗，并具有4 KB、32 KB、64 KB以及Chip-Erase等4種靈活的擦除方式。SST25VF016B的連接如圖3所示。